ITMI20130563A1

ITMI20130563A1 - Metodo di adeguamento di celle elettrolitiche aventi distanze interelettrodiche finite

Info

Publication number: ITMI20130563A1
Application number: IT000563A
Authority: IT
Inventors: Fulvio Federico
Original assignee: Uhdenora Spa
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-11
Also published as: KR20150140347A; EA201591914A1; KR102274662B1; PL2984208T3; EA028920B1; JP6423856B2; CN105209665A; CA2900436A1; WO2014167048A1; JP2016518522A; US9797051B2; BR112015025751A2; CN105209665B; CN203904468U; BR112015025751B1; CA2900436C; EP2984208A1; EP2984208B1; US20160032468A1

Description

METODO DI ADEGUAMENTO DI CELLE ELETTROLITICHE AVENTI DISTANZE INTERELETTRODICHE FINITE DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

AMBITO DELL’INVENZIONE

L’invenzione è relativa a un metodo di adeguamento di celle di elettrolisi a membrana assemblate con distanze interelettrodiche finite.

ANTECEDENTI DELL’INVENZIONE

I processi elettrolitici industriali, ad esempio l’elettrolisi di salamoie alcaline, in particolare di salamoia di cloruro sodico diretta alla produzione di cloro, soda caustica e idrogeno, vengono comunemente condotti in elettrolizzatori composti da una moltitudine di celle elettrolitiche suddivise da un separatore, ad esempio una membrana a scambio ionico, in due comparti, anodico e catodico, contenenti ciascuno un elettrodo.

Il disegno base utilizzato prevede che il comparto anodico contenga generalmente un anodo rigido costituito da una lamiera perforata o una lamiera espansa o una rete in metallo rivestite con un film superficiale elettrocatalitico comprendente ossidi di metalli nobili. La struttura del comparto catodico può prevedere diversi tipi di arrangiamento meccanico. Più precisamente, l’installazione dei catodi nel comparto catodico può essere fatta secondo due disegni meccanici di base. Un primo disegno prevede il catodo in diretto contatto con la membrana (disegno noto fra i tecnici del campo come “zero gap”), un secondo disegno prevede il catodo distanziato dalla membrana con interspazi di 1 - 3 millimetri (disegno noto fra i tecnici del campo come “finite gap”). In questo secondo tipo di tecnologia, la necessità di mantenere una certa distanza fra le due superfici anodica e catodica, indicativamente di 2 - 3 mm, comporta che la tensione di cella risulti penalizzata da una componente legata alla caduta ohmica generata dalla corrente nell’attraversamento della fase liquida compresa fra catodo e membrana: poiché la tensione di cella è direttamente proporzionale al consumo energetico, normalmente espresso in kWh/t, ad esempio di cloro o di soda caustica, ne consegue un’economia complessiva del processo sfavorita. Per superare questo problema, il disegno della celle elettrolitiche a membrana, specialmente per l’elettrolisi cloro-alcali, ha subito importanti evoluzioni nel tempo che si sono concretizzate in strutture catodiche in grado di portare la superficie del catodo in contatto con la membrana, risultato che prende appunto la sopracitata definizione di “zero-gap”. Dato il sempre più elevato costo dell’energia e la non economicità e praticità della completa rimozione e sostituzione delle celle a tecnologia “finite gap”, si evidenzia la necessità di una tecnologia che consenta di convertire queste celle presenti negli impianti elettrolitici a una più efficiente tecnologia “zero-gap” sfruttando il disegno di cella e i materiali preesistenti.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Vari aspetti della presente invenzione sono enunciati nelle rivendicazioni annesse. Sotto un aspetto, l’invenzione è relativa a un metodo di adeguamento di una cella di elettrolisi che comprende un comparto catodico delimitato da una parete di fondo catodica e un comparto anodico separati da una membrana a scambio ionico, il comparto catodico contiene un catodo rigido a geometria planare fissato su supporti catodici, il catodo rigido a geometria planare è mantenuto a una distanza compresa tra 1 e 3 mm dalla membrana a scambio ionico, il comparto anodico contiene un anodo in contatto con la membrana a scambio ionico, il metodo comprende gli stadi simultanei o sequenziali di:

- tra le superfici di contatto con detti supporti catodici;

- sovrapposizione su detto catodo rigido di un elemento elastico conduttivo presagomato avente aree compresse corrispondenti alle superfici di contatto di detti supporti catodici con detto catodo;

- sovrapposizione di un catodo planare flessibile dotato di un rivestimento catalitico su detto elemento elastico conduttivo.

Con il metodo sopra indicato, vantaggiosamente, risulta possibile convertire una cella elettrolitica con disegno a tecnologia “finite gap” in una cella elettrolitica con disegno a tecnologia “zero gap” senza spreco di materiale. Questa conversione, infatti, oltre a produrre il vantaggio garantito dal fatto che durante il funzionamento la corrente elettrica venga distribuita in modo più uniforme e che conseguentemente le tensioni delle singole celle, da cui dipende il consumo energetico, siano minimizzate, consente di avere un riutilizzo del catodo come porta corrente. Viene così evitata la dissaldatura del catodo e la conseguente necessità di fornire ogni cella di un nuovo porta corrente catodico.

Con sagomatura per deformazione plastica è qui intesa una deformazione tale per cui il catodo rigido viene a essere permanentemente bombato in modo da creare un volume atto ad accogliere l’elemento elastico conduttivo appositamente presagomato.

Il metodo dell’invenzione può essere applicato a celle elettrolitiche contenenti catodi rigidi planari sotto forma per esempio di lamiera perforata o rete di nickel dallo spessore compreso tra 0,4 e 4 mm.

Il catodo planare flessibile può essere sotto forma di una sottile lamiera perforata o rete planare flessibile di nickel dallo spessore compreso tra 0,2 e 0,5 mm dotate di un film elettrocatalitico.

In una forma di realizzazione, quando è presente nelle celle da adeguare un anodo a geometria cosiddetta a tapparella, il metodo secondo l’invenzione comprendente lo stadio aggiuntivo di sovrapposizione e fissaggio di una rete anodica a geometria planare dotata di rivestimento catalitico sull’anodo a geometria a tapparella.

Con geometria a tapparella si intende una geometria ottenuta praticando su una lamiera di metallo tagli di opportuna lunghezza in file orizzontali parallele e sfalsate e deformando successivamente la lamiera in corrispondenza dei tagli in modo da formare una molteplicità di lamine come descritto per esempio in EP1641962.

La sovrapposizione e fissaggio, per esempio tramite saldatura, di una rete anodica a geometria planare sull’anodo a geometria a tapparella consente alla membrana, compressa dal lato catodico secondo il disegno “zero gap” di stabilire un contatto adeguato con la parte anodica senza esserne danneggiata.

In una forma di realizzazione, il metodo secondo l’invenzione prevede che il catodo rigido planare venga sagomato per deformazione plastica delle aree comprese tra le superfici di contatto con detti supporti catodici di uno spessore compreso tra 1 e 5 mm.

In una forma di realizzazione l’elemento elastico conduttivo pre-sagomato ha le aree compresse corrispondenti alle superfici di contatto di detto catodo rigido con detti supporti catodici di spessore minore di 1 mm.

I supporti catodici possono essere in forma di costole parallele che fissano la distanza tra il catodo rigido e la parete di fondo catodica.

I supporti catodici e i supporti anodici possono essere rispettivamente di nickel e titanio.

L’elemento elastico conduttivo può essere ottenuto per esempio dalla sovrapposizione di due o più tessuti metallici conduttori corrugati o da un materasso formato da spire compenetrate ottenute con uno o più fili metallici di nickel tipicamente avente uno spessore totale tra i 2,5 e 5 mm.

I film catalitici applicati su catodi e anodi, sono film catalitici di composizioni note nell’arte per evoluzione di idrogeno per la parte catodica e cloro per la parte anodica, quando la cella adeguata è una cella per elettrolisi cloro-alcali.

Sotto un ulteriore aspetto, l’invenzione è relativa a una cella di elettrolisi comprendente un comparto catodico delimitato da una parete di fondo catodica e un comparto anodico separati da una membrana a scambio ionico, il comparto catodico contenente dei supporti catodici, un distributore di corrente rigido avente aree comprese tra le superfici di contatto con detti supporti catodici deformate plasticamente lungo la verticale di una misura compresa tra 1 e 5 mm, un elemento elastico conduttivo avente aree di spessore compreso tra 0,1 e 1 mm corrispondenti alle superfici di contatto tra il distributore di corrente rigido con i supporti catodici, un catodo flessibile sotto forma di lamiera perforata o rete dallo spessore compreso tra 0,2 e 0,5 mm in contatto uniforme con l’elemento elastico conduttivo da un lato e con la membrana a scambio ionico dall’altro lato, il comparto anodico contenente un anodo in contatto uniforme con la membrana a scambio ionico.

In una forma di realizzazione della cella di elettrolisi l’anodo è composto da una base a geometria a tapparella sopra la quale è fissata una lamiera perforata a geometria planare o una rete a geometria planare dello spessore compreso tra 0,3 e 1 mm dotate di un film elettrocatalitico.

Sotto un ulteriore aspetto, l’invenzione è relativa a un elettrolizzatore costituito da un arrangiamento modulare di una molteplicità di celle elementari ottenute col metodo secondo l’invenzione presentemente descritta.

Alcune forme di realizzazione del metodo di adeguamento esemplificativo dell’invenzione sono descritte nel seguito con riferimento ai disegni allegati, i quali hanno il solo scopo di illustrare la disposizione reciproca dei diversi elementi in forme di realizzazione particolare dell’invenzione; in particolare, i disegni non saranno intesi come riproduzioni in scala.

DESCRIZIONE IN BREVE DELLE FIGURE

In figura 1 è mostrato l’assemblaggio di una sezione di cella compresa tra due supporti catodici secondo un disegno meccanico in accordo con la tecnologia definita “finite gap”

In figura 2 è mostrato un assemblaggio di una sezione di cella compreso tra due supporti catodici dopo un adeguamento secondo il metodo dell’invenzione.

In figura 3 è mostrato l’assemblaggio di una cella intera dopo un adeguamento secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FIGURE

Figura 1 mostra una vista frontale di una sezione di cella compresa tra due supporti catodici 4 e due supporti anodici 11 secondo un disegno meccanico in accordo con la tecnologia definita “finite gap”, un distributore di corrente rigido a geometria planare facente da catodo 1 fronteggiante una membrana a scambio ionico 2 a una distanza finita 10. La membrana 2 è a sua volta sovrapposta e in contatto con un anodo avente geometria a tapparella 3.

Figura 2 mostra una vista di un dettaglio di figura 3. Più precisamente mostra una vista frontale di una sezione di cella compresa tra due supporti catodici 4 e due supporti anodici 11 secondo l’invenzione. Un distributore di corrente 1 ottenuto per bombatura del catodo 1 di figura 1 nelle aree comprese tra le superfici di contatto con i supporti catodici 4. Un elemento elastico conduttivo pre-sagomato 5 in contatto con il distributore di corrente 1 da un lato e il catodo flessibile 6 dall’altro, quest’ultimo in intimo contatto con la membrana a scambio ionico 2. Al di sotto della membrana a scambio ionico 2 è rappresentato l’anodo composto da una rete planare dotata di strato catalitico 7 saldata su una parte di lamiera avente a geometria a tapparella 3. Figura 3 mostra una vista frontale di una cella elettrolitica secondo l’invenzione dove sono raffigurati i due gusci catodico e anodico, rispettivamente indicati con 8 e 9, il distributore di corrente catodico 1, i supporti catodici e anodici, rispettivamente indicate con 4 e 11, l’anodo composto dalla lamiera a geometria a tapparella 3 saldato alla rete anodica planare catalitica 7 e il catodo flessibile 6.

ESEMPIO 1

Una cella elettrolitica è stata assemblata secondo il metodo dell’invenzione con un risultato riconducibile allo schema di figura 3. Partendo dai componenti di una cella assemblata con disegno “finite gap” sono state eseguite le seguenti operazioni. Il catodo rigido in forma di lamiera perforata dello spessore 1 mm ed è stato curvato nelle aree comprese tra le superfici di contatto con i supporti catodici di uno spazio in di circa 2,5 mm. Un elemento elastico conduttivo formato da spire compenetrate di doppio filo di nickel avente diametro di circa 0,2 mm è stato anch’esso sagomato tramite rullatura in modo da avere aree compresse in corrispondenza delle aree del catodo rigido in contatto con i supporti catodici. Una rete catodica flessibile di spessore 0,3 mm, provvista di uno strato catalitico, è stata poi sovrapposta in intimo contatto con l’elemento elastico conduttivo. Nel comparto anodico della cella è stata saldata una rete planare di titanio dello spessore di 0.5 mm dotata di uno strato catalitico di ossidi misti di metalli del gruppo del platino sul preesistente anodo a geometria a tapparella. Il tutto è stato poi assemblato con l’ottenimento di una struttura di cella riconducibile alla figura 3.

ESEMPIO 2

L’efficacia dell’azzeramento della distanza catodo-membrana per mezzo dell’adeguamento di un catodo di una cella con geometria interna originariamente di tipo “finite gap” e l’istallazione di un nuovo catodo accoppiato a un elemento elastico di compressione come descritto nell’esempio 1 è stata verificata su un elettrolizzatore pilota utilizzato per l’elettrolisi cloro-soda a membrana. L’elettrolizzatore è stato equipaggiato con otto celle singole. L’elettrolizzatore è stato fatto funzionare con soda caustica al 32% in peso, salamoia di cloruro sodico alla concentrazione di 210 g/l in uscita, a 90°C e con densità di corrente di 5 kA/m² . Dopo un periodo di stabilizzazione di circa 1 settimana le celle risultavano caratterizzate da una tensione media di 2.90 V che è rimasta sostanzialmente immutata dopo 6 mesi di esercizio, quando l’elettrolisi è stata interrotta e due celle singole sono state estratte dai supporti, aperte e sottoposte ad ispezione visuale dei componenti. L’ispezione non ha messo in rilievo alterazioni degne di nota, e in particolare le due membrane hanno presentato una superficie praticamente priva di incisioni o di altri tipi di tracce generate da compressione anomala del catodo. Come termine di confronto l’elettrolizzatore sopra descritto ha dimostrato un risparmio energetico dell’ordine di 150 kWh/ton di soda caustica prodotta rispetto a un elettrolizzatore equipaggiato con le celle pre-adeguamento caratterizzate da una distanza catodomembrana di 1.5 mm.

La precedente descrizione non intende limitare l’invenzione, che può essere utilizzata secondo diverse forme di realizzazione senza per questo discostarsi dagli scopi e la cui portata è univocamente definita dalle rivendicazioni allegate.

Nella descrizione e nelle rivendicazioni della presente domanda la parola “comprendere” e le sue variazioni quali “comprendente” e “comprende” non escludono la presenza di altri elementi, componenti o stadi di processo aggiuntivi. La discussione di documenti, atti, materiali, apparati, articoli e simili è inclusa nel testo al solo scopo di fornire un contesto alla presente invenzione; non è comunque da intendersi che questa materia o parte di essa costituisse una conoscenza generale nel campo relativo all’invenzione prima della data di priorità di ciascuna delle rivendicazioni allegate alla presente domanda.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di adeguamento di una cella di elettrolisi comprendente un comparto catodico delimitato da una parete di fondo catodica e un comparto anodico separati da una membrana a scambio ionico, detto comparto catodico contenente un catodo rigido a geometria planare fissato su supporti catodici, detto catodo rigido a geometria planare mantenuto a una distanza compresa tra 0,4 e 4 mm da detta membrana a scambio ionico, detto comparto anodico contenente un anodo in contatto con detta membrana a scambio ionico, il metodo comprendente gli stadi simultanei o sequenziali di: - sagomatura di detto catodo rigido per deformazione plastica delle aree comprese tra le superfici di contatto con detti supporti catodici; - sovrapposizione su detto catodo rigido di un elemento elastico conduttivo presagomato avente aree compresse corrispondenti alle superfici di contatto di detti supporti catodici con detto catodo; - sovrapposizione di un catodo planare flessibile dotato di un rivestimento catalitico su detto elemento elastico conduttivo.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, ove detto anodo in contatto con detta membrana a scambio ionico è una anodo a geometria a tapparella, il metodo comprendente lo stadio aggiuntivo di sovrapposizione e fissaggio di una rete anodica a geometria planare dotata di rivestimento catalitico su detto anodo a geometria a tapparella.
3. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1 o 2 ove detto catodo rigido planare è sagomato per deformazione plastica delle aree comprese tra le superfici di contatto con detti supporti catodici di uno spazio compreso tra 1 e 5 mm.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1, 2 o 3 ove detto elemento elastico conduttivo pre-sagomato ha le aree compresse corrispondenti alle superfici di contatto di detto catodo rigido con detti supporti catodici di spessore minore di 1 mm.
5. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1, 2, 3, o 4 ove detto catodo rigido planare è sotto forma di lamiera perforata o lamiera espansa o rete in nickel, dotate di film elettrocatalitico per l’evoluzione di idrogeno.
6. Metodo secondo la rivendicazione 2, ove detta rete anodica a geometria planare è di titanio e dotata di film catalitico per evoluzione di cloro.
7. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 ove detti supporti catodici sono in forma di costole parallele che fissano la distanza tra il catodo rigido e la parete di fondo catodica.
8. Cella di elettrolisi comprendente un comparto catodico delimitato da una parete di fondo catodica e un comparto anodico separati da una membrana a scambio ionico, detto comparto catodico contenente dei supporti catodici, un distributore di corrente rigido avente aree comprese tra le superfici di contatto con detti supporti catodici deformate plasticamente lungo la verticale di una misura compresa tra 1 e 5 mm, un elemento elastico conduttivo avente aree di spessore compreso tra 0,1 e 1 mm corrispondenti alle superfici di contatto tra il distributore di corrente rigido con detti supporti catodici, un catodo flessibile sotto forma di lamiera perforata o rete dallo spessore compreso tra 0,2 e 0,5 mm in contatto uniforme con detto elemento elastico conduttivo da un lato e con detta membrana a scambio ionico dall’altro lato, detto comparto anodico contenente un anodo in contatto uniforme con detta membrana a scambio ionico.
9. Cella di elettrolisi secondo la rivendicazione 8, ove detto anodo è composto da una base a geometria a tapparella sopra la quale è fissata una lamiera perforata a geometria planare o una rete a geometria planare dallo spessore compreso tra 0,3 e 1 mm dotate di un film elettrocatalitico.
10. Elettrolizzatore costituito da un arrangiamento modulare di una molteplicità di celle elementari secondo le rivendicazioni 8 o 9.